膏体充填技术的发展

膏体充填技术的发展

1、概述

19纪中叶之前,世界范围内大部分地下矿山开采都采用横支护的空场法,在地质条件不复杂的环境下,可通过增加横撑数量和减小巷道断面等技术措施增加釆场稳定性,但对于地质条件复杂的环境,常见的崩落法和空场法都难以营造安全稳定的釆场作业环境,随着人类对资源的渴求以及安全意识的提高,充填采矿法作为一种新型采矿方法在19世纪中期诞生。1864年,美国首次使用水砂充填,以保护宾夕法尼亚州的一个位于煤矿区的座教堂基础,这是充填技术在建筑和釆矿行业的应用结合点,这一举措拉开了充填釆矿的序幕。在随后的生产实践中,人们总结出充填采矿具有安全、可恢复、高效、环保、降低贫化率、适用性强等诸多优点。充填采矿从诞生至今已有一百多年历史,发展为三大釆矿方法之一,该种釆矿方法在许多不同地质环境下都有过成功应用的历史,也因地质环境和釆矿工艺的不同延伸出许多充填采矿技术。根据充填材料的不同将充填釆矿技术分为干式充填、水砂充填、混凝土充填、尾砂充填、尾砂胶结充填、废石胶结充填、膏体充填、高水速凝充填和其他废弃物充填等。根据充填所需动力分裂可分为机械充填、风力充填、水力充填、粟压充填等。根据回采工艺和方向不同可将充填采矿法分为上向分层充填、上向进路充填、下向分层充填、下向进路充填、削壁充填、壁式充填以及方框支架充填等多种充填技术形式。

2、国外膏体充填的发展介绍

国外充填采矿技术发展起步较早,如前所述,早在1864年人们就已经认识到充填技术可以控制地表沉陷等问题,随后在以美国、德国、南非、澳大利亚等国家的众多矿山开展了充填釆矿试验,并研宄出多种充填采矿工艺。1930年,霍恩公司进行采矿尾砂和炼铜炉澄回填至井下的干式充填试验,成功推动了充填釆矿法在矿山中的应用,并在随后一段时间内,许多国家的众多矿山都将奸干式充填釆矿法作为一种治理地表塌陷、处理堆弃废物的一种有效方法。1959年至1962年,加拿大赢桥镍矿开展采用水泥尾砂砂奖替代替代充填料上层的塾板作为人工假低的试验,开发出水泥固结水砂的充填技术,并首次将该技术应用于Frood矿山。1969年,澳大利亚Mount Isa铜矿开展了釆用水泥胶结充填体代替回采底柱以及铅锌铜冶炼炉澄代替部分水泥的实验研究,这一尝试推动了胶结充填技术发展,同时拉开了水泥替代品作为胶结料的研宄。1978年-1983,德国Preussag公司,投入大量资金开发出用于分层充填的高浓粗细微少混合泵压充填系统,并在Grund铅锌矿以及随后的南非各大金矿中成功应用,该技术的出现首次将膏体充填的概念引入充填采矿技术中,并在后期的釆矿工艺中得到了广泛的应用。1992年,加拿大Sudbary地区Creighton款山也引入了膏体充填技术应用于日常

采矿生产过程中。1998年,Mount Isa铜矿建成膏体充填采矿系统,以开采该公司所属的矿体。目前为止,膏体充填采矿技术以其独特的优点,如可使用全尾砂及其他固体废弃物,充填体脱水量少,充填体强度高,水泥消耗量少,充填体易于接顶,有效降低井下污染和排水费用等,在世界范围内有了广泛的应用。

3、我国膏体充填的发展介绍

我国充填采矿技术发展相比国外晚,但我国矿山众多,且大多数矿山地质条件复杂,充填工艺与技术的应用形式类型众多,尤其是近些年来,我国矿山在新的充填工艺技术开发和应用方面,都取得很大进步。我国最早充填技术起源于二十世纪50年代,东北华铜矿山首次釆用了分层充填采矿法。我国充填技术发展分为五个阶段:

(1)以矿山堆弃废物为充填原料的干式充填阶段、其代表矿山有东北华铜矿山(二十世纪50年代)、内蒙古花沟金矿(二十世纪60年代)等。干式充填技术是通过风力或者其他机械衆矿山堆弃废物充填入采空区,能够有效有效控制地压活动,但同时也具有充填工艺复杂、矿石贫化

率高、劳动力需求大、劳动强度高等特点,因此,釆用干式充填采矿的矿山数量在不断减少。(2)以尾砂为原料的水砂充填阶段,这其中包括湘潭猛矿(1960年)、锡矿山南矿(1965年)、招远金矿(1967年)、铜绿山矿(二十世纪70年代)等。水砂充填主要是将尾砂、炉渔、碎砂石混合成固液两相的衆体通过水力输运到井下充填采空区,水砂充填可有效减少井底火灾和地表下降等问题,但其充填工艺较为复杂,充填质量难以控制,排水费用大等缺点。

(3)以分级尾砂、全尾砂等作为充填集料的胶结充填阶段,包括凡口铅锌矿(1968年)、大厂铜坑矿(1988年)、焦家金矿(1998年)、金川龙首镍矿(1965年)等。鉴于非胶结的水砂充填材料自立性能差等不足,出现了以胶结充填材料作为充填料的胶结充填技术,主要以分级尾砂、全尾砂碎石等材料作为充填集料和水泥等胶结材料配以一定比例的水,混合成高浓度的胶结体通过充填管线输运至待充地点,这种充填技术充填体强度大,充填速度快且工艺简单,也是目前应用较为广泛的一种充填技术。但该充填技术在充填接顶方面也存在着一些缺点。

(4)以高水速凝材料混合后形成充填材料的高水速凝充填阶段,招远金矿、小铁山矿、新桥硫铁矿等矿山于90年代初采用了这种充填技术。高水速凝充填是利用高水速凝材料混合后成为具有较强固水能力的充填材料,这种充填技术的充填材料早期强度高,可缩短充填回采周期,提高生产率,有效降低充填材料脱水带来的井底污染。但该充填技术同时存在输运、混合工艺复杂、充填成本高等缺点。

(5)以高浓度膏体充填材料为充填料的膏体充填阶段,主要矿山有金川有色金属公司(1991年)、武山铜矿(1996年)、大冶有色金属公司(1999年)、会泽铅锌矿(2006年)等。膏体充填技术是将充填集料(尾砂等)、胶凝材料和水混合成高浓度的膏体通过充填系统输运至待充点,该技术具有充填材料入场后无需脱水,抗离析性能好,充填体强度高,胶凝材料消耗量小,充填成本相对较低,易于充填接顶等优点,但其充填系统投资成本高,充填管道易堵塞。

追溯膏体充填技术发展,1979年首次由德国Grund矿开发应用,并在随后广泛应用于各大矿山。这种新充填工艺技术,将尾砂或其它形式的充填集料经过浓密机和真空过滤机等装置浓缩过滤后,形成膏体形态混合物,其浓度一般在85%左右,再通过充填系统经充填管道以结构流形式泉送至充填位置。

我国膏体充填技术出现相对较晚,金川公司于1991年开始建立、鉴定了自主的膏体充填试验系统,并于1996年在金川公司二矿区正式建成膏体充填采矿生产系统,标志着我国膏体充填技术迈上了一个新的台阶,随后武山铜矿、铜绿山、会泽铅锌矿等矿山也建成了膏体充填釆矿生产系统。